淺談監測交流竄入直流電源系統的方法

徐峰

【摘 要】在電力系統中，直流電源是輸變電設備中非常重要的設備之一，變電站內的斷路器操作控制回路和繼電保護裝置均為直流電源供電，而直流供電網絡一般分布在一次和二次設備處，極易發生接地故障，一旦發生接地故障將對變電站內的整個電力系統造成很大的危害。尤其是交流竄入直流電源系統造成直流電源兩點接地，危害更為嚴重，為此如何監測并防止交流竄入直流電源系統，關系著變電站安全穩定的運行。本文針對交流竄入直流的危害以及如何監測交流竄入直流，進行論證和驗證。

【關鍵詞】直流系統 交流竄入 保護誤動 饋線開關控制火線 直流互竄 支路選線

1 引言

隨著電網規模的不斷擴大，越來越多的變電站實現了無人值守，為了保障變電站的安全穩定的運行，提高變電站的自動化水平勢在必行。雖然目前電網調度自動化已經非常成熟完善，且已涵蓋了部分直流系統的信息，但大部分直流設備運行狀況還是沒有完全掌握。直流電源系統為測控裝置、繼電保護、信號采集、自動裝置、斷路器分合閘操作、事故照明、通訊傳輸等應急設備提供電源，是整個變電站安全運行中的重要保障，稱為“動力之源”。由于直流系統為浮空制的不接地系統，若發生兩點接地，就可能引起上述裝置的誤動和拒動，從而造成重大電力事故。隨著電氣設備導線老化、絕緣下降、改造誤碰、誤接等原因，造成直流電源故障的發生之事屢見不鮮，隨著變電站一體化電源的大量推廣，交流竄入直流的現象將更加突顯。因此，對直流電源系統進行全面的實時遠程監測非常必要，使變電站直流電源系統達到“可控”、“在控”狀態；變“定期檢修”為“狀態檢修”。本監測方法可實時監測變電站直流系統的各項指標，實時監測到交流竄入直流的信號波動，并及時告警，實現直流系統信息的統一管理，使維護人員及時掌握各變電站直流電源系統的運行情況，及早發現異常情況，把事故消滅在萌芽狀態。提高變電站直流系統的可靠運行能力，提高維護效率，降低維護成本和勞動強度。

2 交流竄入直流的原因及危害

2012年3月 26日發布的《國家電網十八項安全反措》中指出，嚴防交流竄入直流電源事故，說明了低壓交流竄入直流電源可能會造成電網事故。通常意義中的交流竄入直流是指低壓交流電源的一端或兩端與直流電源回路發生電氣連接，如電壓互感器二次側交流電壓信號竄入到直流系統中，或交流電源混到了直流電源中，由于交流電源是接地的電源，直流電源是不接地電源，交流電源與直流發生電氣相接后，直流系統的安全性就發生了根本性的變化。一旦由于某一種原因接地，使交流信號竄到直流電源系統，也就是會產生直流母線上疊加了一個很大的對地交流電壓，大大超過保護、控制等裝置的額定電壓，造成繼電保護、信號、自動裝置誤動或拒動，或造成直流保險熔斷，使保護及自動裝置、控制回路失去電源。在復雜的保護回路中同極兩點接地，還可能將某些繼電器短接，不能動作于跳閘、致使越級跳閘。主要造成交流竄入直流的原因有：

（1）由于保護屏、控制屏上小母線既有交流回路也有直流回，在屏頂的小母線上操作或者小動物接觸引起小母線短路時，很可能造成交直流回路串接。

（2）保護屏和端子箱內的端子排上不僅接有交流模擬量回路（交流電流、電壓）和交流電源回路（打印機電源、照明電源、驅潮電源），同時保護屏和端子箱內的端子排上也接有大量的控制、信號等直流回路。端子排接線錯誤或者試驗過程中的誤接線、誤碰都可能造成交流竄入直流。

（3）變器冷控箱、有載調壓箱內不僅有風扇電源、油泵電源、調壓電機電源等交流回路，也有信號、冷卻器全停保護、主變檔位遙信回路等直流回路。若接線錯誤或工作過程中的誤接線、誤碰等都有可能造成交流竄人直流。主變油溫表、繞組溫度表內同樣既有啟動風冷的交流控制回路又有告警、跳閘等保護的直流回路，除了誤碰、誤接線外，如果節點間的間隙不夠，節點拉弧使交流竄人直流的可能性也存在。

（4）交流電源回路包括電氣五防、刀閘操作電源、斷路器儲能電源、加熱器等電源。直流電源回路包括斷路器操作電源、跳合閘回路、刀閘切換回路等。如若誤碰、誤接線以及節點拉弧都可能使交流竄入直流。

（5）雖然交、直流不允許共電纜，但由于設計或者施工的錯誤，交直流共纜在一些變電站內仍然存在。當電纜芯線的絕緣損壞時也會造成交直流互竄。

3 交流竄入直流的監測與預防

直流電源的安全可靠運行對于變電站的安全可靠運行至關重要。但由于直流系統分布范圍廣、外露部分多、電纜傳輸長。所以，很容易受塵土、潮氣的腐蝕，使某些絕緣薄弱元件絕緣降低，甚至絕緣破壞造成直流接地或由于一個屏柜內既有交流電，又有直流電，供電線纜又較長，交直流端子相隔較近，經常會因為誤接線或絕緣降低，導致交流電竄入直流系統。 引起絕緣監測裝置報直流接地故障。這種故障嚴重時會導致設備損壞，或保護設備誤動，給變電站安全運行帶來嚴重影響。在實際運行中直流系統是不接地運行，雖然單點接地不影響系統的正常運行，但必須盡快查找故障予以消除，否則發生第二點接地時，就會造成繼電器或保護裝置誤動作，引起嚴重后果。

目前，在變電站中普遍使用了直流系統絕緣及選線裝置，雖起到了一定的效果。但在變電站現場對“交流竄入直流故障”仍然缺乏有效的監控手段和故障告警措施，對交流竄入直流引發的故障處理僅僅局限于人工排查單一手段。 下面針對如何監測并預防交流竄入直流系統提出新的方法。

3.1 監測原理

如圖3-1所示，為一段直流系統等效電路圖。其中，C1+、C1-分別為直流正負母線對地電容。R1+、R1-分別為直流母線對地電阻。V+、V-分別監測正母線對地電壓和負母線對地電壓。當交流電竄入直流系統，直流母線對地電壓將呈現正弦波形。而直流母線正負兩端電壓不會變化。因此，通過檢測直流系統對地電壓的變化可以判斷出是否發生交流竄入，或者是否發生瞬間接地。

本方法內置平衡橋，檢測橋，偏差補償橋。平衡橋和檢測橋相配合完成對直流系統正負母線對地絕緣電阻的測量；當直流系統正負母線對地電壓發生偏差時，通過投入補償橋使正負母線對地電壓恢復至相對平衡。支路選線功能采用漏電流檢測法進行支路選線，當主裝置監測到直流系統發生絕緣降低或者交流竄入時，自動啟動選線裝置進行支路選線，選線準確率100%。

交流與直流信號的采樣傳感上可以采用兩種方法：①是電容隔離法；②是變壓器法。利用電容的隔直流通交流的特性。將直流電源中的交流就可以耦合過到直流成份被隔離。變壓器法，由于交流電源，通過變壓器后，副邊會產生一個交流電量，其交流分量是一個完整的交流成份，不產生任何的直流的因素。兩種方法都會有其利和弊的部分。電容隔離法需要一個耐壓較高1000V以上的無極性電容，具有體積較大的缺點，變壓器法由于其采樣也需要一個具有一定初級內阻要達到 50KΩ 以上內阻的變壓器，才能較好地解決我們采取了一種新型采樣法。如圖所示：以電容型為主件，結合了電容與變壓器相結合的方法進行。

4 結語

交流竄入直流對變電站的穩定運行具有巨大的影響，通過本文提出的技術和方法實時檢測直流中的交流分量，及時通知檢修人員及時進行故障排查和處理，避免重大電網事故的發生。另外還要加強變電站的規范化設計：

（1）避免交直流電纜混用、交直流輔助節點混用，嚴防交直流回路共用一根電纜。

（2）規范端子箱和保護屏端子設計制造，開關端子箱各功能端子排獨立布置，不同功能端子排成組布置，交流端子排對與直流端子排分列布置，并賦以不同編號、不同色標區分，對于同排布置的交流回路端子排應與直流回路端子排間有明顯間隔。

（3）規范二次電纜的傳輸路徑，盡可能離開高壓母線、避雷器和避雷針的接地點、并聯電容器、電容式電壓互感器、結合電容及電容式套管等設備，避免和減少迂回，縮短二次電纜的長度，與運行設備無關的電纜應予拆除。

（4）加強對一二次設備制造安裝環節的技術監督、檢查驗收和端子箱防潮工作。各電氣設備的內部和外部交流電纜和直流電纜靠近敷設布置時要做好隔離和屏蔽措施。做好戶外端子箱包括線路TV端子箱的密封、防潮、防凝露措施，安裝加熱驅潮器。

（5）加強直流系統的配置和運行管理，避免交流竄人后越級將總熔絲熔斷造成全站保護拒動事故。

（6）加強繼保工程施工安措管理和圖紙管理，避免人員三誤造成交直流互竄事故。認真做好繼電保護工作，保證安全的組織措施和技術措施，做好繼電保護安全措施票，工作中注意危險點分析，防止誤碰、誤接線等。將繼電保護圖實相符工作作為繼保重要的基礎管理工作，確保現場作業圖實相符。做好現場監護、核對和驗收工作，避免接線錯誤造成交流串人直流回路。